潘建偉：我們曾是跟隨學習者，現在有機會成為引領者

　　來源：DeepTech深科技

　　2017 年 9 月 29 日，中國的「墨子號」量子科學試驗衛星傳送了一場維也納與北京之間的加密視頻會議，雖然這兩座城市各處世界一端且相距甚遠，不過即便是黑客也無法竊取兩地之間的通信內容。當衛星以每小時 1.8 萬英里（2.9 萬千米）的速度划過夜空時，數據將被傳送到位於北京東北、距離只有幾小時車程的興隆地面基站。不到一小時後衛星經過奧地利上空，將另一組數據發送到格拉茨附近的接收站。

　　這些數據包是用於保護信息傳送的密鑰。不過經由衛星分發的密鑰，其與眾不同之處在於它是利用光量子進行編碼的。任何試圖攔截信息的行為將會破壞這種狀態，從而使得信息被銷毀，同時也會讓黑客暴露行蹤。這意味著量子加密技術的安全性遠遠超過經典二進位位密鑰——一股可以被閱讀以及複製的表示 1 和 0 的光電脈衝。

　　視頻是通過常規方式，而非通過量子技術加密的。但是由於信息解讀過程需要量子密鑰，所以其安全性就大大得到了保證。這就使得世界上首例量子加密洲際視頻連線成為了可能。

　　這項偉大創舉的背後正是現今 48 歲的潘建偉教授，他來自有著「中國加州理工」美譽的中國科學技術大學（USTC）。憑藉著一系列在科技方面的重大突破，他已然成為中國科學界的一位重量級人物，其研究成果得到了習近平主席的褒獎。

圖丨潘建偉團隊成果曾登上 Science（來源：Science）

　　量子通信和量子計算現在仍處於萌芽階段，但這兩者都是中國政府力求在 2030 年前取得突破的重大科研項目。就像美國曾經主導計算機技術以及其催生出的信息革命一樣，中國也有望在量子時代到來前夕領跑全世界。

　　潘建偉就是這項事業的核心人物，他在 2011 年成為了中國科學院有史以來最年輕的院士。

　　在接受《麻省理工科技評論》採訪時，潘建偉談到了國際合作對於該研究的重大意義，但是他也明確表示，中國看到了改變現有科技領域的潛在機遇。潘建偉說道，「在現代信息科學發展的初期，我們曾經只是跟隨者和學習者，現在我們有機會成為引領者。」

　　潘建偉的宏偉計劃包括：建立一個覆蓋全球的、安全係數極高的量子衛星通信網路；在建造功能強大的量子計算機上，幫助中國趕上甚至是超越美國。量子計算機最基本的計算單元就是量子位，與二進位位不同的是它能夠同時包含量子態下的 1 和 0。通過一種被叫做「糾纏」的神秘現象將量子位連接起來，量子計算機的數據處理能力就會得到指數級的提升。

　　在未來，量子計算機可以被用於研究新材料或者開發新藥物，因為傳統計算機無法模擬極其複雜的化學反應。得益於量子計算，人工智慧也將會取得長足發展。使用量子密鑰分發（QKD）的安全網路可以為商務交易傳遞保密信息，同時也能夠為軍事行動和通信提供最高密級的保障。現在，開發人員正致力於量子感測器的研究，這項技術能夠使潛水艇擺脫傳統的衛星導航。另一方面，依靠該技術的量子雷達將能夠偵測出「隱形」飛行器的存在。

圖丨接收器發出的激光束將會幫助與衛星與地面基站建立連接（來源：麻省理工科技評論 JOINT EFFORTS）

　　同心協力

　　儘管中美之間在量子科技領域競爭激烈，但是傳送視頻會議的「墨子號」衛星在很大程度來說仍舊是一項國際合作的產物。衛星的名字來自於一位中國古代的科學家和思想家。

　　衛星是由兩支團隊共同研發的，一支是潘建偉領導的中國團隊，另一支是由奧地利維也納大學量子物理學家安東·塞林格領導的奧方團隊。在上世紀 90 年代，塞林格是潘建偉的博士生導師，他很看好這個來自中國的年輕學生。塞林格回憶說，「潘建偉剛來這裡時就全身心地投入到理論物理學的研究中，但我覺得這個小夥子大有可為，於是便讓他轉向實驗方向，結果他真的非常優秀。」

圖丨安東·塞林格（來源：維也納大學）

　　事實上，早在 2011 年潘建偉就提議在量子密鑰分發方面開展國際合作，這讓塞林格興奮不已。潘建偉的團隊經過幾年的實驗證明了空基系統的可行性，最終他們得到了中國政府的支持並建造了一顆具有專門用途的衛星，該衛星於 2016 年發射升空。

　　在陸地上進行量子密鑰分發實驗已經是困難重重，然而利用衛星則意味著需要解決更多的額外問題：從保證衛星與地面基站之間協調精準的信息傳輸到如何將光子在大氣層中的損耗降到最低。觀察家們紛紛對此產生了興趣，來自多倫多大學的物理學教授 Hoi-Kwong Lo 說道，「中國可以傾舉國之力進行量子科學的研究，這意味著他們可以做到很多其他國家做不到的事情。」

　　中國在量子科技領域的其他成就還包括，建立了世界上最長的陸地量子密鑰分發網路。這條北京與上海之間長達 2032 千米（1263 英里）的陸地鏈接也是在潘建偉的主持下建設的，沿途的各個基站可以互相傳送量子密鑰，為金融服務和加密信息的傳輸提供了具有極高安全性的網路保障。此外，一些城市也在建設自己的市級量子網路。

（來源：USTC）

　　有關中國到底在量子科技項目上投入多少資金我們還不得而知，因為這一數目目前尚未公開。但潘建偉表示，在接下來的國家量子項目中，政府的投入會與歐洲最近啟動的重大量子科研計劃「至少大致相當」。該計劃預期 10 年，投入資金 10 億歐元（約合 11 億美元）。

　　雖然資金很重要，但是決定中國能否在量子項目上取得重大突破，除了在衛星和其他項目上的投資，還有更多其他的因素。中國同樣也得益於長達數十年的青年學者留學計劃，他們師從像塞林格這樣的頂級專家，然後把所學的知識帶回祖國並繼續從事相關的研究。

　　在中國，量子科學的高水準論文不勝枚舉，而且有關量子通信以及量子加密領域的註冊專利數也在不斷增加，遠超美國和世界其他國家。

　　為了培養未來的量子技術研究人才，中國政府投入 10 億美元，正在合肥興建一座國家級量子信息科學實驗室，並將於 2020 年正式交付使用。屆時，實驗室將吸納來自各個學科的專家，比如物理學、電子工程學以及材料科學。一部分政府撥款將會用於中國科大新校區的建設，為國家培養更多的量子技術人才。

　　潘建偉說道，「我們都在為培養未來的量子技術人才而努力奮鬥著。」

　　不過，潘建偉已經在中國科大創建了一個量子信息與量子物理研究中心。2018 年 6 月，來自該中心的一個團隊宣布實現了 18 個光量子比特的糾纏，刷新了糾纏量子位的世界紀錄。像這樣的成就將會讓我們更加接近量子計算機成為現實的那一天，在某些特定任務上量子計算機的性能將會大大超越傳統的超級計算機。

　　對於繼續拓展空間量子科學的研究，中國依然不乏各種雄心勃勃的計劃。潘建偉表示，在接下來的四到五年里，中國還將會發射四顆低軌道量子衛星，不久再發射一顆高軌道對地靜止量子衛星。這一長期計劃就是要建立一個打破傳統的具有高安全係數的洲際量子網路。展望未來，也許有一天量子加密網路技術將會保護從智能手機到移動電腦的所有設備。

圖丨站在接收器前方的中國量子事業帶頭人潘建偉。該接收器用於傳輸來自「墨子號」衛星的超級加密信號（來源：麻省理工科技評論 LEADER AND LAGGARD）

　　那麼，中國真的準備好去主導即將到來的量子時代了嗎？如果中國引領了量子科技的未來，會有哪些作為呢？

　　對於第一個問題的回答比較微妙。雖然說「墨子號」衛星以及地基量子密鑰分發網路，讓中國在量子加密通信領域暫時處於領先地位，但是其在量子計算機的開發上與美國還是有一定的差距。然而，我們可以從潘建偉團隊在糾纏量子位方面取得的成就看出，中國正在奮起直追。在中國，像阿里巴巴和百度這樣的大型科技公司也正在投入巨資從事量子計算的相關研究。就像美國的 IBM 和 Rigetti 公司一樣，阿里巴巴已經啟動了雲計算服務，以便進行有關量子處理器的實驗。

　　艾薩克·庄教授來自麻省理工學院，同時也是量子計算領域的先驅人物。他表示，中國之所以在量子科學上取得諸多突破，其中一點原因在於政府研發團隊、中國科學院以及地方大學之間的團結協作。目前歐洲正在進行量子技術的合作研究，然而美國卻在制定綜合性戰略以發展量子技術和培養人才方面進展緩慢。

　　不管其他國家正在做什麼，中國將會一往無前地推進自己的事業。潘建偉同時還強調了量子加密網路的巨大商業潛力。眾多企業已經開始使用北京和上海兩地之間的量子網路以保證傳輸信息的安全性。他預言，有一天各大洲的數據中心將會通過自己計劃中的量子衛星網路彼此相連。

　　-End-

　　參考：

　　https：//www.technologyreview.com/s/612596/the-man-turning-china-into-a-quantum-superpower/

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